Alumīnija{0}}gaisa akumulatoru darbības princips
Alumīnija-gaisa šūna sastāv no alumīnija anoda, gaisa katoda un ūdens elektrolīta, parasti kālija hidroksīda vai nātrija hidroksīda. Pie anoda alumīnijs izšķīst un atbrīvo trīs elektronus uz katru atomu; pie katoda tiek samazināts skābeklis no apkārtējā gaisa. Kopējā reakcija 4Al + 3O2 + 6H2O uz 4Al(OH)3 teorētiski nodrošina atvērtu- ķēdes spriegumu gandrīz 2,7 V, savukārt praktiski elementi darbojas ar aptuveni 1,2 līdz 1,6 V polarizācijas zudumu dēļ. Tā kā katoda aktīvais materiāls, skābeklis, tiek brīvi ņemts no gaisa, nevis glabāts elementā, akumulators var sasniegt teorētisko īpatnējo enerģiju, kas ir tuvu 8,1 kWh/kg, pamatojoties tikai uz alumīnija anodu, aptuveni 2980 Ah uz kilogramu alumīnija pie 2,7 V, kas ir vairākas reizes vairāk nekā litija -jonu ķīmijā.
Kāpēc alumīnijs ir svarīgs enerģijas uzglabāšanai
Alumīnijs ir visizplatītākais metāls Zemes garozā, un to ražo rūpnieciskā mērogā visā pasaulē, tādējādi nodrošinot zemas anoda izmaksas un stabilas piegādes ķēdes. Izplūdes produkts ir alumīnija hidroksīds, nekaitīgs savienojums, ko var atgriezt kausēšanas cehā un pārvērst atpakaļ metālā, izmantojot Hall-Heroult procesu, tāpēc materiāla cilpa ir slēgta un pārstrādājama. Salīdzinājumā ar litija-jonu paketēm alumīnija-gaisa sistēmās tiek izmantots ūdens-uzliesmojošs, neuzliesmojošs elektrolīts, kas novērš termiskās izplūdes risku un vienkāršo siltuma pārvaldību. Šīs īpašības padara ķīmiju pievilcīgu lietojumiem, kur liels attālums, zemas izmaksas un drošība ir svarīgākas par maksimālo jaudu.
Materiāli un šūnu sastāvdaļas
Anods parasti ir augstas -tīrības pakāpes alumīnijs ar 99,5% vai augstāku, piegādāts kā plāksne vai smaga folija, bieži leģēts ar nelielu daudzumu gallija, indija, alvas vai magnija, lai nomāktu pasivāciju un parazītu ūdeņraža izdalīšanos sārmainā elektrolītā. Gaisa katods ir porains oglekļa slānis, kas piepildīts ar katalizatoru, piemēram, mangāna dioksīdu, un ko atbalsta metāla strāvas savācējs, un alumīnija folija parasti kalpo kā vadošs substrāts vai pati anoda sagatave. Elektrolītu sistēmas atšķiras no koncentrēta KOH, kas nodrošina lielu-darbības ātrumu, līdz sāls šķīdumiem ilgam-darbamūžam ar zemu{6}}darbības ātrumu. Gāzu difūzijas elektroda dizains un karbonātu nokrišņu pārvaldība ir divi vissvarīgākie inženiertehniskie uzdevumi šūnu attīstībā.
Pārskatā sniegtie veiktspējas un demonstrācijas dati
Laboratorijas šūnas ir ziņojušas par īpatnējo enerģiju diapazonā no 400 līdz 800 Wh/kg šūnu līmenī, un sistēmu demonstrācijas ir vērstas uz mehāniski uzlādējamiem dizainiem. Plaši ziņots par 2013. gada ceļa demonstrāciju, tika apgalvots, ka neliela pilsētas automašīna, kas aprīkota ar aptuveni 50 kg alumīnija anoda plāksnēm, nobrauca aptuveni 1600 km, periodiski pievienojot ūdeni, lai uzturētu elektrolīta līmeni. Alumīnija patēriņš būtībā ir saistīts ar ietilpību: tā kā katrs alumīnija kilograms satur aptuveni 2980 Ah teorētisko lādiņu, elements, kas izlādējas ar vidēji 1,4 V, rada aptuveni 4,2 kWh elektroenerģijas uz kilogramu patērētā anoda, pirms tiek pievienots elektrolīts un sistēmas pieskaitāmās izmaksas. Tas ir salīdzināms ar aptuveni 0,25 līdz 0,30 kWh/kg, kas raksturīgs litija -jonu elementiem iepakojuma līmenī, lai gan salīdzinājumam ir jāiekļauj visas alumīnija -gaisa sistēmas svars.
Galvenie izaicinājumi{0}}elektrisko transportlīdzekļu lietojumiem
Četri šķēršļi atrodas starp laboratorijas kamerām un komerciālajiem elektriskajiem transportlīdzekļiem. Pirmkārt, jaudas blīvumu ierobežo skābekļa samazināšanas kinētika pie gaisa katoda, tāpēc alumīnija-gaisa akumulatori ir labāk piemēroti vienmērīgai izlādei nekā ātram paātrinājumam. Otrkārt, alumīnijs korodē sārmainā elektrolītā, izdalot ūdeņradi un izšķērdējot materiālu, kas prasa sakausējuma optimizāciju un elektrolītu piedevas. Treškārt, akumulators nav elektriski uzlādējams parastajā izpratnē; degvielas uzpilde nozīmē anoda kasetnes nomaiņu un hidroksīda pārstrādi, kam nepieciešama jauna servisa infrastruktūra. Ceturtkārt, gaisa katods laika gaitā degradējas, veidojoties karbonātam un dezaktivējot katalizatoru, tādējādi saīsinot kalpošanas laiku. Šo iemeslu dēļ pašreizējie pētījumi ir vērsti uz hibrīda konfigurācijām, kurās mazs litija{6}}jonu buferis nodrošina maksimālo jaudu, bet alumīnija-gaisa bloks nodrošina kreisēšanas enerģiju, un nišas lietojumprogrammas, piemēram, rezerves jauda un liela attāluma{8}}smagais transports.
FAQ
J. Kā darbojas alumīnija{0}}gaisa akumulators?
A:Tas oksidē alumīnija anodu ar skābekli, kas iegūts no apkārtējā gaisa ūdens elektrolītā, atbrīvojot elektronus caur ārēju ķēdi un ražojot alumīnija hidroksīdu kā izlādes produktu.
J: Kāds ir alumīnija{0}}gaisa teorētiskais enerģijas blīvums?
A:Pamatojoties uz alumīnija anodu vien, tas sasniedz aptuveni 8,1 kWh/kg, aptuveni 2980 Ah/kg pie 2,7 V, kas ir vairākas reizes lielāks nekā litija -jons; praktiskās šūnas sasniedz zemākas, bet tomēr konkurētspējīgas vērtības.
J: Cik daudz alumīnija patērē šūna?
A:Katrs alumīnija kilograms satur aptuveni 2980 Ah lādiņa, tāpēc pie vidējā izlādes sprieguma 1,4 V elements to pārvērš aptuveni 4,2 kWh elektroenerģijā pirms sistēmas pieskaitāmās izmaksas.
J: Vai alumīnija{0}}gaisa akumulatorus var uzlādēt elektriski?
A:Ne parastajā izpratnē; anods tiek patērēts un ir jānomaina mehāniski, savukārt alumīnija hidroksīda blakusprodukts tiek pārstrādāts atpakaļ metālā, izmantojot Hall-Heroult procesu.
J: Kāpēc tie vēl nav izplatīti elektriskajos transportlīdzekļos?
A:Ierobežots jaudas blīvums, anoda korozija sārmainā elektrolītā, gaisa -katoda degradācija un degvielas uzpildes infrastruktūras trūkums pašlaik ierobežo to izmantošanu pētniecības programmās, hibrīda konstrukcijās un stacionāros lietojumos.
J: Kādu lomu šajās baterijās spēlē alumīnija folija?
A:Augstas -tīrības pakāpes alumīnija folija un plānas loksnes tiek izmantotas anoda sagatavēm un strāvas savācējiem, tāpēc foliju un lokšņu ražotāji rūpīgi seko līdzi šīs tehnoloģijas attīstībai.